RNA-seq一直是二代测序技术中应用最广泛的技术,对应的RNA-seq分析涉及的图形也十分丰富。从最基础的“5’~3’随机性曲线”到比较复杂“基因调控网络图”,每种图形都含有其独一无二的意义。因此了解这些图形中包含的信息以及绘制方法,对于我们解读RNA-seq数据显得尤为重要。RNA-seq图形专题,我们将会选择RNA-seq中有代表性的图形为素材,与您分享解析这些图形的方法。

基因调控网络关系图(gene regulation network)

颜值:☆ ☆ ☆ ☆

实用性:☆ ☆ ☆ ☆

1“高逼格”网路关系图

在很多研究调控关系的文章里面,你一定都遇到过类似以下的图形:图形中节点来代表不同的基因,使用节点间的连线来代表基因间的调控关系。如图1中,就直观反映了在1个局部调控网络中,转录因子(三角形)—miRNA(方形)—靶基因(圆形)间复杂的调控关系。

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图1 转录因子—miRNA-靶基因调控网络图

这个图形在CNS级别的文章中也常常出现,而且往往以非常华丽的方式出现。例如,在2014年,在《Science》上发表的研究6倍体普通小麦种子发育过程基因调控的文章[1],就出现了这样的调控关系图(图2)。图形中,将不同功能类型的基因排布在不同区域,而且将来源普通小麦不同亚基因组(A、B、D)的基因分别使用三种不同颜色(紫色、橙色、绿色)表示,给人直观大气的感觉。

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图2 普通小麦种子发育过程的基因调控关系图

2图形解读

从调控关系图的最基本元素来看, 基因调控网络是由点(通常为基因)和边(调控关系)组成的关系网络。

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图3 调控网络图示意图

  • 点:图中每一个圆圈代表一个节点,也就是调控网络的元素,通常为基因。
  • 边:连接着各个节点的线,代表两个基因间的关系。这个线可能没有方向,例如代表两个基因的表达量存在相关性。也可能是有向的网络,如图3就属于有向网络。图3中,尖锐箭头表示表达增强作用(例如,转录组因子调控),平钝箭头表示表达抑制作用(例如,miRNA的作用)。当然,在基因网络中,也存在基因调控自身的自调控的现象。

在实际的调控网络中,还涉及到其他更丰富的信息,例如调控关系的强弱(表达量相关系数的强弱)、调控关系的类型(蛋白-蛋白互作,蛋白-DNA互作)等,所以还会通过调整节点的大小、形状、颜色,边的粗细、颜色来展示更丰富的调控信息(这些信息如何高效地添加到调控网络中,下文将会介绍)。

了解点和边之后,我们还需要了解调控网络的另外1个重要概念——连通性(Connectivity)。连通性指的是1个基因拥有的边(调控关系)的数量。例如下图,黄色的基因就具有最高的连通性。1个基因的连通性越高,就说明它在调控网络中处于调控枢纽的位置,通常意味它有更为重要的作用。这类基因一般被称为核心基因(hub gene),核心基因往往就是转录因子等起到关键调控作用的基因。

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3图形绘制方法

绝大部分SCI论文里精美的调控网络图都来自一款著名的调控网络图形化软件——cytoscape。Cytoscape是一款多家美国科研机构联合开发的java软件,可以支持在windows,linux,苹果等不同系统下运行。

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Cytoscape构图过程基本分为两步:

第一步

将基因和基因间的互作关系(来源已知的调控关系或生物信息分析)记录在文本文件中,这些信息可以包括基因名称、基因类型、关系类型、关系强弱等。

第二步

将对应的文件导入cytoscape,发挥你的想象力和动手能力,进一步的调整美化,就可以变成非常优美的调控关系图。下图是就是cytoscape官网首页的一张图形,一起感受一下迎面扑来的科幻气息。

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图6 cytoscape官网的一张精美调控关系图

另外,如果发挥想象力,cytoscape也不局限于分析基因调控关系。任何多样本间关系的图形化,都可以使用cytoscape来完成。例如,这篇2010年发表的PNS上的一篇研究葡萄群体遗传的文章[2],为了呈现几百个品系葡萄的系谱关系,也是使用到了cytoscape这款软件。

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图6 数百株葡萄系谱关系的直观展示

好了,说了这么多,好像我们还是没有说cytoscape这个软件如何使用。其实,我们早已为你准备了十分详细的教程。请点击“阅读原文”后登录Omicshare论坛,我们为你准备了cytoscape软件的下载、教程PPT和实操演示视频,一起利用cytoscape体验高逼格的调控网络图绘制过程。

参考文献:

[1] Pfeifer M, Kugler K G, Sandve S R, et al. Genome interplay in the grain transcriptome of hexaploid bread wheat[J]. Science, 2014, 345(6194): 1250091.

[2] Myles S, Boyko A R, Owens C L, et al. Genetic structure and domestication history of the grape[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2011, 108(9): 3530-3535.

 


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